CN117317467A - 一种储能电池模组组合散热装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能电池模组组合散热装置及其控制方法，包括多个电池pack架，多个电池pack架从上至下依次间隔设置，每个电池pack架内对应安装有电池模组，电池模组的上方设置有上盖板，上盖板内设置有水管路，相邻上盖板之间的水管路通过模组间水管连接，顶层上盖板的水管路一端经储液罐分别连接冷水箱和热水箱，底层水管路的另一端连接液体排放罐。本发明用于在模组级对储能电池温度进行控制，保证将电池工作温度控制在最优工作温度区间，避免电池过热发生热失控的同时也能提高电池的循环使用寿命。

Description

一种储能电池模组组合散热装置及其控制方法

技术领域

本发明属于电池散热技术领域，具体涉及一种储能电池模组组合散热装置及其控制方法。

背景技术

近年来，储能技术开始大规模应用于电力系统的发电、输电、配电、用电各个环节，而电化学储能技术由于能量密度高、放电平稳、循环性能好等优点，成为目前电力储能领域装机容量增长最快的储能技术。然而国内外发生的多起电化学储能电站火灾，引发了大家对储能系统安全的普遍关注。储能系统的消防安全问题成为制约电化学储能大规模推广的瓶颈问题。早期储能电站安全管理基本都采用管网全淹没的气体灭火系统，近两年，大家意识到电化学储能电池火灾与普通火灾有很大不同，电池的热失控是不可阻止的过程，一旦发生热失控电池会产生大量热量，当热量无法有效散失，会导致热失控加剧，甚至燃烧和爆炸。这使得储能电站均需要监测系统探测到温度异常才能实现灭火功能。

储能电池发生热失控主要有两大原因：

1、内部原因，比如电池制造过程中引入的电芯内缺陷，或者电池在长期使用过程中由于充放电制度和环境因素使电池老化，电芯内部产生了枝晶锂，它的存在触发了电池内短路。

2、外部原因，如电池外部的电、热冲击，作用到电池本体都会使电池内部出现不可逆的放热反应。

目前针对电池热失控没有很好的抑制措施，只能对热失控进行预警或者发生火灾采用管网全淹没方式进行火灾消防，真正发生热失控不可阻止。有厂家已经提出采用风冷或者液冷的方式进行温度控制，大多数风冷都是在储能电池舱里装空调，这种方式制冷效果不均衡，靠近空调的区域或电池温度比较适宜，远离空调的电池温度就比较高，风冷采用电池舱空调制冷，制冷不够均匀，管理不够精细，不能阻止早期电池因工作过热导致的热失控发生；水冷方案大多将水冷管敷设在电芯底部，事实上电池工作的高温区为电池上半部，但因为有极柱和铝极板的存在很难在上部走水冷管，散热效果不好。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种储能电池模组组合散热装置及其控制方法，采用组合恒温方式阻止电池因温度过高导致热失控发生，保证电池处于最优工作温度进行工作，延长电池的使用寿命，用于解决寒冷地区电池温度过低无法使用的技术问题。

本发明采用以下技术方案：

一种储能电池模组组合散热装置，包括电池pack架，电池pack架从上至下依次间隔设置多层，每层电池pack架内对应安装有电池模组，电池模组的上方设置有上盖板，上盖板内设置有水管路，相邻上盖板之间的水管路通过模组间水管连接，顶层上盖板的水管路一端经储液罐分别连接冷水箱和热水箱，底层水管路的另一端连接液体排放罐。

具体的，顶层上盖板的水管路与储液罐之间设置有加压泵。

具体的，储液罐与冷水箱和热水箱之间分别设置有对应的加压泵。

进一步的，储液罐与冷水箱和热水箱之间还分别设置有对应的电磁阀门。

具体的，电池模组由多个电芯串联组成，每个电芯与BMU连接。

具体的，电池pack架的层数为7～9层。

具体的，上盖板的一侧设置有模组恒温控制模块，上盖板的另一侧设置有多个均流风扇。

进一步的，模组恒温控制模块包括电芯温度检测模块、环境温度检测模块和温度控制器。

具体的，水管路为回字形结构。

本发明的另一技术方案是，储能电池模组组合散热装置的控制方法，当电池模组内电芯的工作温度在10～28℃或环境温度为10～28℃时，上盖板上设置的均流风扇及水管路均不工作；

当电池模组内电芯的工作温度超过28℃或环境温度超过28℃时，上盖板上设置的均流风扇开启，水管路不工作；

当电池模组内电芯的工作温度超过35℃或环境温度大于30℃时，上盖板上设置的水管路中通入冷水，且均流风扇保持开启；

当电池模组内电芯的工作温度低于28℃且环境温度低于30℃时，关上盖板上设置的闭水管路，开启均流风扇；

当电池模组内电芯的工作温度低于10℃或环境温度为10℃时，上盖板上设置的水管路中通入热水且均流风扇保持开启，直到温度为20℃后停止工作。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

一种储能电池模组组合散热装置，保证储能模组工作在最优环境温度下，提高电池使用寿命；在温度过高时采用分级温控方式实现电池模组降温，在温度较低时可以实现增加环境温度，保证电池在最优工作温度下工作；可以有效防止电池因环境温度或自身工作温度过高或过低导致的电池发生热失控或使用寿命降低的问题。

进一步的，通过在水管路与储液罐之间设置加压泵，将三通储液罐里的冷水或热水泵进上盖板水管路，使电池工作在一个恒定温度范围内。保证电池的工作环境，增加电池使用寿命。

进一步的，通过在储液罐与冷水箱和热水箱之间设置加压泵，将冷水箱冷水或者热水箱热水泵入三通储液罐里进而进入上盖板水管路，为电池降温或加温。

进一步的，电磁阀门决定相应管路的开通或关断，保证上盖板水管路按照环境需求，泵入适当的水。

进一步的，BMU负责电池模块内电芯级别的控制，包括电芯电压和温度信号监控、均衡控制、荷电状态(SOC)估算、电池健康状态(SOH)估算和热管理控制。有了BMU我们可以实时获得电芯内各参数的变化，用来判断系统此时应该进行何种动作。

进一步的，储能系统是由单个储能电池(电芯)通过串并联的形式构成整个系统，电芯串联构成PACK(电池模组)，一个常规磷酸铁锂电芯为280Ah，额定电压3.2V，一般单个PACK容量为14～15kwh，核算下来是15个电芯串联构成一个PACK；若干个PACK通过电池PACK架构成一个电池簇(RACK)。

进一步的，模组恒温控制模块是与均流风扇配合使用的，模组恒温控制模块监测：电芯温度，环境温度。当电芯温度检测模块检测到电芯工作温度低于10℃(低于此温度电池会降容)或环境温度检测模块检测到环境温度为10℃时开启热水箱电磁阀及加压泵，水管路中通入热水且均流风扇(A、B)保持开启，直到电芯温度检测模块、环境温度检测模块检测到两者温度为20℃后水管路及均流风扇(A、B)停止工作。

进一步的，温度控制器接收来自电芯温度检测模块、环境温度检测模块获得的温度信息，来判断是否开启均流风扇及向水管水路泵入冷水或温水。

一种储能电池模组组合散热装置的控制方法，可以保证储能模组工作在最优环境温度下，提高电池使用寿命；在温度过高时采用分级温控方式实现电池模组降温，在温度较低时可以实现增加环境温度，保证电池在最优工作温度下工作。通过本发明工作流程可以有效防止电池因环境温度或自身工作温度过高或过低导致的电池发生热失控或使用寿命降低的问题。

综上所述，本发明用于在模组级对储能电池温度进行控制，保证将电池工作温度控制在最优工作温度区间，避免电池过热发生热失控的同时也能提高电池的循环使用寿命。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为电池簇组合温控示意图；

图2为单个模组组合温控示意图；

图3为上盖板水管路示意图。

其中：1.电池模组；11.电芯；12.BMU；13.均流风扇；14.上盖板；141.入水口；142.水管路；143.出水口；15.恒温控制模块；151.电芯温度检测模块；152.环境温度显示模块；2.电池pack架；3.模组间水管；4.储液罐；5.电磁阀门；6.加压泵；7.冷水箱；8.热水箱；9.液体排放罐。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种储能电池模组组合散热装置及其控制方法，采用模组级风冷加模组上盖板敷设回型水管的组合方案，对电池温度进行模组级管理，管理更加精细，方案更加完善。增加的水管不仅可以走冷水也可以在极寒地区通过热水保障电池的工作温度在20～30℃之间，再此工作温度范围内电池能够更好的进行充放电并且循环使用寿命更长。

请参阅图1，本发明一种储能电池模组组合散热装置，包括电池模组1、电池pack架2、储液罐4、冷水箱7、热水箱8和液体排放罐9，

多个电池模组1依次上下间隔设置在电池pack架2上，相邻电池模组1之间通过模组间水管3连接，模组间水管3的输入端经储液罐4后分别连接冷水箱7和热水箱8，储液罐4与模组间水管3的输入端之间设置有加压泵6，冷水箱7和热水箱8与储液罐4之间分别设置有对应的电磁阀门5和加压泵6；模组间水管3的输出端连接液体排放罐9。

电池模组1，将多个电芯11封装在同一个外壳框架内，通过统一的边界与外部进行联系；一个模组也称一个pack。本发明使用的电芯1为磷酸铁锂电芯。

电池pack架2，支撑电池模组的架子，层数为7～9层，每层放置一个电池模组1，每个电池模组1由16～24个电芯11串联组成。

模组间水管3：将两个模组的水路联系起来，方便模组间冷热水流动，模组间水管连接三个模组。

储液罐4：可以将冷水箱的冷水通过加压泵6抽入三通储液罐里(此时热水箱上加压泵停止工作，对应电磁阀门闭锁)，也可以将热水箱的热水通过加压泵6抽入三通储液罐里(此时冷水箱上加压泵停止工作，对应电磁阀门闭锁)，根据需求及控制器指令将冷水箱、热水箱中液体抽入三通储液罐，再通过三通储液罐上加压泵将液体送入相应模组入水口；设计三通储液罐的目的是满足同一通道，不同液体共用。

电磁阀门5：对水管进行开通和关闭。

加压泵6：增加水压，完成正常供水。

冷水箱7：提供冷水，冷水温度范围为0～5℃。冷水是为了给工作中的电池散热，保证电池工作在20～25℃的最优工作温度下。

热水箱8：提供热水，热水温度范围为45～50℃。热水是为了让电池再寒冷的气候下保温，保证电池工作在20～25℃的最优工作温度下。

液体排放罐9：将流经电池模组后的液体收集并通过外界水路排放出去。

请参阅图2，单个电池模组1具体包括：电芯11、BMU12、均流风扇13、上盖板14和模组恒温控制模块15，多个电芯11阵列设置，并与BMU12连接，均流风扇13包括多个，间隔设置在电芯11的一侧，上盖板14设置在电芯11的上方，模组恒温控制模块15设置在上盖板14的一侧。

电芯11：提供电能的最小单元。一般不单独使用，需配合保护电路及外壳同一封装后使用。

BMU12：单体电池管理单元，可以获得电压、电流、温度等数据，并将数据上传至储能管理系统。

均流风扇13：为模组提供散热及均流环境，保证模组内部气流均衡。

上盖板14：将模组封装成独立单元，其上布置有回型水管路。

模组恒温控制模块15：包含电芯温度检测模块151、环境温度检测模块152和温度控制器。

电芯温度检测模块151用于检测每一个电芯温度；

环境温度检测模块152用于检测模组内环境温度；

温度控制器：通过温度检测及逻辑判断控制均流风扇开闭及水管水路。

电芯温度检测模块与每个电芯通过温度传感器连接；环境温度检测模块直接监测模组内部环境温度；温度控制器与电芯温度检测模块151、环境温度检测模块152连接获取他们监测的数据然后通过判断向均流风扇及水管水路加压泵和电磁阀门发送无线指令控制其动作。

请参阅图3，上盖板14的一侧设置有入水口141，另一侧对应设置有出水口143，上盖板14内设置有水管路142，水管路142的两端对应连接入水口141和出水口143。

入水口141：冷水或热水的入口。

水管路142：为了增加散热/增温时间，将管子做成回型管。

出水口143：冷水或热水的出口。

一种储能电池模组组合散热装置控制方法，具体如下：

当电芯温度检测模块检测到电芯工作温度在10～28℃或环境温度检测模块检测到环境温度为10～28℃时，均流风扇及水管路均不工作；

当电芯温度检测模块检测到电芯工作温度超过28℃或环境温度检测模块检测到环境温度超过28℃以上时，仅均流风扇开启，水管路暂不工作；

当电芯温度检测模块检测到电芯工作温度超过35℃时或环境温度检测模块检测到环境温度为30℃以上时，开启冷水箱电磁阀及加压泵，水管路中通入冷水，且均流风扇(A、B)保持开启；

当电芯工作温度低于28℃且环境温度低于30℃以下时，关闭水管路仅均流风扇开启；

当电芯温度检测模块检测到电芯工作温度低于10℃(低于此温度电池会降容)或环境温度检测模块检测到环境温度为10℃时开启热水箱电磁阀及加压泵，水管路中通入热水且均流风扇(A、B)保持开启，直到电芯温度检测模块、环境温度检测模块检测到两者温度为20℃后水管路及均流风扇(A、B)停止工作。

综上所述，本发明一种储能电池模组组合散热装置及其控制方法，能够根据检测温度启动不同的恒温措施(液冷或升温)；能够采取分级措施进行温度管理，在保障安全的同时节约能源；增加电池使用寿命，保证电池在宽环境温度下的工作适应性。(不论周围环境高或低均能在最优工作温度下恒温工作)。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种储能电池模组组合散热装置，其特征在于，包括电池pack架(2)，电池pack架(2)从上至下依次间隔设置多层，每层电池pack架(2)内对应安装有电池模组(1)，电池模组(1)的上方设置有上盖板(14)，上盖板(14)内设置有水管路(142)，相邻上盖板(14)之间的水管路(142)通过模组间水管(3)连接，顶层上盖板(14)的水管路(142)一端经储液罐(4)分别连接冷水箱(7)和热水箱(8)，底层水管路(142)的另一端连接液体排放罐(9)。

2.根据权利要求1所述的储能电池模组组合散热装置，其特征在于，顶层上盖板(14)的水管路(142)与储液罐(4)之间设置有加压泵(6)。

3.根据权利要求1所述的储能电池模组组合散热装置，其特征在于，储液罐(4)与冷水箱(7)和热水箱(8)之间分别设置有对应的加压泵(6)。

4.根据权利要求3所述的储能电池模组组合散热装置，其特征在于，储液罐(4)与冷水箱(7)和热水箱(8)之间还分别设置有对应的电磁阀门(5)。

5.根据权利要求1所述的储能电池模组组合散热装置，其特征在于，电池模组(1)由多个电芯(11)串联组成，每个电芯(11)与BMU(12)连接。

6.根据权利要求1所述的储能电池模组组合散热装置，其特征在于，电池pack架(2)的层数为7～9层。

7.根据权利要求1所述的储能电池模组组合散热装置，其特征在于，上盖板(14)的一侧设置有模组恒温控制模块(15)，上盖板(14)的另一侧设置有多个均流风扇(13)。

8.根据权利要求7所述的储能电池模组组合散热装置，其特征在于，模组恒温控制模块(15)包括电芯温度检测模块(151)、环境温度检测模块(152)和温度控制器。

9.根据权利要求1所述的储能电池模组组合散热装置，其特征在于，水管路(142)为回字形结构。

10.根据权利要求1至9中任一项所述储能电池模组组合散热装置的控制方法，其特征在于，当电池模组(1)内电芯(11)的工作温度在10～28℃或环境温度为10～28℃时，上盖板(14)上设置的均流风扇及水管路均不工作；

当电池模组(1)内电芯(11)的工作温度超过28℃或环境温度超过28℃时，上盖板(14)上设置的均流风扇开启，水管路不工作；

当电池模组(1)内电芯(11)的工作温度超过35℃或环境温度大于30℃时，上盖板(14)上设置的水管路中通入冷水，且均流风扇保持开启；

当电池模组(1)内电芯(11)的工作温度低于28℃且环境温度低于30℃时，关上盖板(14)上设置的闭水管路，开启均流风扇；

当电池模组(1)内电芯(11)的工作温度低于10℃或环境温度为10℃时，上盖板(14)上设置的水管路中通入热水且均流风扇保持开启，直到温度为20℃后停止工作。